薄壁零件切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)研究

袁興華

YUAN Xing-hua

（華北電力大學(xué)，保定 071003）

0 引言

切削參數(shù)是影響加工過(guò)程的主要因素，關(guān)于切削參數(shù)優(yōu)化，目前大多數(shù)的研究主要是基于生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以變形控制為目標(biāo)函數(shù)的研究較少。但是對(duì)于薄壁零件切削而言，由于薄壁零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,相對(duì)剛度較低,在切削加工中極易發(fā)生加工變形,造成壁厚上厚、下薄尺寸超差等問(wèn)題 。

在裝夾情況、刀具情況、工件情況等相同的前提下，薄壁零件變形主要是受動(dòng)態(tài)切削力和切削時(shí)是否顫動(dòng)影響，切削參數(shù)又是影響切削力和切削時(shí)是否顫動(dòng)的主要因素，本文在前期開(kāi)發(fā)智能參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)薄壁零件的切削參數(shù)進(jìn)行第二次優(yōu)化，進(jìn)而控制動(dòng)態(tài)切削力，并使切削參數(shù)小于加工顫動(dòng)的臨界值，最終實(shí)現(xiàn)薄壁零件的高效高精加工。

1 影響薄壁零件加工時(shí)產(chǎn)生顫動(dòng)、變形的因素

影響零件加工精度的主要因素有：機(jī)床剛性、機(jī)床幾何精度、刀具震動(dòng)、刀具磨損、工件內(nèi)應(yīng)力、工件受力變形、工件裝夾影響等。對(duì)于薄壁零件而言，因?yàn)槠鋭偠刃。诩庸み^(guò)程中受殘余應(yīng)力、裝夾力、切削力、切削熱等因素影響極易發(fā)生加工變形和切削振動(dòng)，導(dǎo)致加工誤差。但是在材料、裝夾條件和加工路徑確定的情況下，薄壁件的加工變形主要是由切削力和切削震動(dòng)引起的。為了保證薄壁零件加工過(guò)程的平穩(wěn)和加工質(zhì)量,應(yīng)采用大徑向切深、小軸向切深的切削方式、選擇合適的每齒進(jìn)給量和切削速度等 。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在智能參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)的，其目的是通過(guò)對(duì)切削參數(shù)的二次優(yōu)化保證加工薄壁零件時(shí)不發(fā)生顫動(dòng)，有較為合理的切削力，既能保持較高的生產(chǎn)效率和較低的生產(chǎn)成本，又能減小因顫動(dòng)、切削力造成的工件變形，使薄壁零件變形在公差允許的范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 薄壁件切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)原理圖

切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)是數(shù)學(xué)模型法和數(shù)據(jù)庫(kù)法相結(jié)合的智能優(yōu)化系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]已有詳細(xì)說(shuō)明。本系統(tǒng)是在根據(jù)數(shù)學(xué)模型法和數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化切削參數(shù)的基礎(chǔ)上的針對(duì)薄壁零件加工的又一次參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，其工作原理如圖1所示。

3 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的切削參數(shù)優(yōu)化

在洗削薄壁零件時(shí)，同一軸線不同高度的切削厚度會(huì)出現(xiàn)不一致，有的過(guò)切有的欠切，隨著切削的不斷進(jìn)行，切削厚度會(huì)出現(xiàn)不斷變化，造成動(dòng)態(tài)切削力也不斷變化，這樣就容易使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生顫動(dòng)，從而影響加工精度。根據(jù)文獻(xiàn)[5]和[6]可知，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，可求的對(duì)應(yīng)的切削參數(shù)的極限值，計(jì)算公式如下式所示：

4 基于洗削力控制的參數(shù)優(yōu)化

4.1 洗削力的計(jì)算

關(guān)于洗削力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型很多，本系統(tǒng)采用Kline平均銑削力立銑切削模型。洗削力與洗削面積相關(guān)聯(lián)，為便于分析，將銑刀切削刃劃分為多個(gè)微單元，通過(guò)計(jì)算所有處于切削區(qū)域的各微單元的受力，再將微單元受力相加，即可得出總的切削力。根據(jù)文獻(xiàn)4，可將切削力分解為切向切削力DFT與徑向切削力DFR，其關(guān)系如下[7]：

式中，DZ為微單元的軸向?qū)挾龋籏T、KR為切削力系數(shù)，計(jì)算方法如下式所示；tc為微單元瞬時(shí)未變形切屑厚度。

4.2 變形量求值與參數(shù)優(yōu)化

薄壁零件變形預(yù)測(cè)采用剛性預(yù)測(cè)方法，即直接采用徑向切深αe、切向切深αp和每齒進(jìn)給量fe預(yù)測(cè)，通過(guò)ANSYS11.0分析薄壁件就可以求出模擬銑削過(guò)程中工件的變形量[8]。

圖2 變形計(jì)算與參數(shù)優(yōu)化流程圖

5 實(shí)例

系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)采用Visual C++6.0語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用SQL Server2005關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合ANSYS11.0有限元分析軟件，在作者前期開(kāi)發(fā)的智能切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了基于薄壁零件切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)仍然采用某公司生產(chǎn)的XD-40數(shù)控銑床為實(shí)驗(yàn)機(jī)床，加工對(duì)象為槽狀2A12鋁合金工件，工件壁厚要求為6mm，選擇直徑為12、齒數(shù)為2的高速鋼立銑刀。實(shí)驗(yàn)先采用針對(duì)普通工件的智能切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)得到一組數(shù)據(jù)，把這組數(shù)據(jù)輸入到銑床上進(jìn)行試加工；然后再采用薄壁件專(zhuān)用優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)上一組數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次優(yōu)化，得到另外一組切削參數(shù)數(shù)據(jù)，同樣輸入到同一銑床上試加工。觀測(cè)比較兩組數(shù)據(jù)加工情況，其結(jié)果如表1所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，薄壁件專(zhuān)用優(yōu)化系統(tǒng)具有加工變形量小、幾乎不顫動(dòng)的特點(diǎn)，更滿足薄壁零件加工要求。

表1 不同優(yōu)化系統(tǒng)加工結(jié)果比較

圖3 薄壁件切削參數(shù)智能優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行界面

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)求解穩(wěn)定狀態(tài)下切削薄壁零件所對(duì)應(yīng)的臨界值和計(jì)算動(dòng)態(tài)切削力，并利用ANSYS11.0軟件進(jìn)而求得工件變形量，通過(guò)調(diào)整切削參數(shù)進(jìn)而改變切削力的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁零件加工的變形控制。在前期開(kāi)發(fā)智能化切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)一針對(duì)薄壁零件加工的切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的薄壁零件切削參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)更具有高精、高效、低成本加工的效果。

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